基于FPGA的帶CRC校驗(yàn)的異步串口通信

1、基于FPGA的帶CRC校驗(yàn)的異步串口通信摘要：由于FPGA具有速度快，效率高，靈活穩(wěn)定，集成度高等優(yōu)點(diǎn)，所以為了提高串口通信的速度和效率，在串行通信中采用FPGA來實(shí)現(xiàn)串口通信是十分必要的。由于通信傳輸?shù)牟淮_定性以及干擾等原因，串行通信經(jīng)常會出現(xiàn)異常情況。然而，在串行通信中添加CRC校驗(yàn)，可以提高通信的可靠性。采用Verilog HDL設(shè)計(jì)的一個帶CRC校驗(yàn)的串口通信程序，對其下栽到FPGA芯片中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到的結(jié)論是用FPGA進(jìn)行串口通信，可大大提高通信的速度和效率，且CRC校驗(yàn)確保了通信的準(zhǔn)確性及卡可靠性。O 引言    現(xiàn)場可編程門陣列(field pr

2、ogrammable gate array，F(xiàn)PGA)在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)被廣泛使用。這種設(shè)計(jì)方式可以將以前需要多塊集成芯片的電路設(shè)計(jì)到一塊大模塊可編程邏輯器件中，大大減少了電路板的尺寸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性。本文詳細(xì)介紹了已在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的基于FPGA的串口通信設(shè)計(jì)。硬件描述語言(hardware description language，HDL)是一種用形式化方法來描述數(shù)字電路和設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯系統(tǒng)的語言。數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)者可以利用這種語言來描述自己的設(shè)計(jì)思想，然后利用電子設(shè)計(jì)自化(EDA)工具進(jìn)行仿真，再自動綜合到門級電路，然后用ASIC或Soft-Core實(shí)現(xiàn)其功能。Veri

3、log HDL是硬件描述語言的一種，用于數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。串口通信是指在一個時間內(nèi)傳輸1位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。從19世紀(jì)的二進(jìn)位電報(bào)編碼，發(fā)展到現(xiàn)在的RS 232(EIA 232)，主要用于連接終端和大型主機(jī)。串口通信在過去的40年里，大大推動了通信技術(shù)的發(fā)展。通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定包括對數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。因此，也叫通信控制規(guī)程，或稱傳輸控制規(guī)程，它屬于 ISOsOSI七層參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，其主要完成的作用如下：    (1)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化；  

4、  (2)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換；    (3)控制數(shù)據(jù)傳輸速率；    (4)進(jìn)行錯誤檢測；    (5)進(jìn)行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換；    (6)提供EIA-RS 232C接口標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號線；    (7)為了完成上述串行接口的任務(wù)，串行通信接口電路一般由可編程的串行接口芯片、波特率發(fā)生器、EIA與TTL電平轉(zhuǎn)換器以及地址譯碼電路組成。1 方案設(shè)計(jì)與分析11 硬件電路    該方案的硬件電路設(shè)計(jì)包括：FPGA

5、芯片、MAX3232，DB9。其硬件電路與微機(jī)通信的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。12 軟件設(shè)計(jì)思想    軟件部分的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。121 波特率設(shè)置    系統(tǒng)時鐘是由PFGA的16引腳輸入的24 MHz時鐘，而異步串口通信的波特率設(shè)置為9 600 bs，所以需要對主頻進(jìn)行分頻。分頻過程定義了2個常量，分別用來存儲波特率96 000 bs的分頻計(jì)數(shù)最大值bpspara和分頻計(jì)數(shù)的一半bps_para_2。每個系統(tǒng)時鐘的上升沿來臨時計(jì)數(shù)器cnt加1，每bps_para_2個系統(tǒng)時鐘周期clk_bps改變1次狀態(tài)，這樣就產(chǎn)生了96 000

6、bs的波特率。部分分頻代碼如下：122 數(shù)據(jù)接收    數(shù)據(jù)接收模塊所要完成的任務(wù)包括：    (1)連續(xù)接收3個字節(jié)：1個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息和2個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息的CRC校驗(yàn)碼；    (2)取出這3個字節(jié)的第一個字節(jié)，重新生成CRC碼；    (3)講新生成的CRC碼與接收到得CRC比較，若相同則傳輸過程中沒有出現(xiàn)錯誤；若不相同則傳輸過程有錯誤，等待接收下一組數(shù)據(jù)。    單字節(jié)串并轉(zhuǎn)換    串口通信發(fā)送數(shù)據(jù)的格式：

7、1位起始位(低)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位(高)，共10位(這里沒有校驗(yàn)位ParityBit)傳輸時的順序是：起始位+數(shù)據(jù)位低位-數(shù)據(jù)位高位+停止位，其時序圖如圖3所示；    3字節(jié)連續(xù)接收并儲存    為了連續(xù)接收3個字節(jié)數(shù)據(jù)，定義中斷寄存器neg_int和計(jì)數(shù)器count，復(fù)位時都清零，開始接收數(shù)據(jù)時rx_int置高，每接受完1個字節(jié)，rx_int清零，此時檢測rx_int的下降沿，下降沿到來時計(jì)數(shù)器count加1，直到接收完第3個字節(jié)時count的值是3。部分程序如下：     

8、  因?yàn)镠DL是硬件描述語言，所以必須時刻檢測是否有起始位到來，需用幾個并行的always語句塊來處理。在接受完第1個字節(jié)后繼續(xù)檢測下降沿，并把接收到的數(shù)據(jù)暫存到寄存器data中，接收完第2個字節(jié)后仍繼續(xù)檢測下降沿，并暫存數(shù)據(jù)到crc1615：8，接收完第3個字節(jié)繼續(xù)檢測下降沿，暫存數(shù)據(jù)到crc167：O。等待下面的校驗(yàn)處理。下面用case語句塊來暫存數(shù)據(jù)。CRC碼生成    循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)是一種在數(shù)據(jù)傳輸中廣泛應(yīng)用的差錯檢測方法。CRC的設(shè)計(jì)思想是將數(shù)據(jù)包當(dāng)作一個多位的二進(jìn)制數(shù)，用這個二進(jìn)制數(shù)除以

9、一個選定的多項(xiàng)式，所得的余數(shù)作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)直接附加在數(shù)據(jù)后面發(fā)送出去，在接收端對數(shù)據(jù)除以相同的多項(xiàng)式如余數(shù)為零則表示沒有錯誤被檢測到。CRC的工作過程如下：假設(shè)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)為8位，校驗(yàn)多項(xiàng)式一般為X16+X12+X5+1。首先將發(fā)送數(shù)據(jù)左移16位生成一個新的數(shù)列，然后采用模2運(yùn)算(異或)將新數(shù)列除以校驗(yàn)多項(xiàng)式，所得余數(shù)序列即為冗余循環(huán)碼，將其直接加到數(shù)據(jù)后面即可。    部分程序如下：       將生成CRC碼與接收到得CRC碼進(jìn)行比較，判斷傳輸過程是否有誤，若無誤就將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。123 數(shù)據(jù)發(fā)送

10、    數(shù)據(jù)發(fā)送部分的功能是將檢驗(yàn)完畢后的正確數(shù)據(jù)發(fā)送出去，實(shí)際上是一個并串轉(zhuǎn)換。當(dāng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確后err置位，通過pos_err濾波檢測err的上升沿，上升沿到來時pos_err置高1個時鐘周期，此時開始進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。串口通信的傳輸格式是：1位起始位，8位數(shù)據(jù)為，1位停止位。所以需要將數(shù)據(jù)裝載成發(fā)送格式，然后再發(fā)送出去。發(fā)送時先發(fā)送起始位O，再發(fā)送數(shù)據(jù)低位，然后發(fā)送高位，最后在發(fā)送停止位1。這部分用計(jì)數(shù)器num進(jìn)行計(jì)數(shù)，在case(num)語句塊里，分別發(fā)送這10位。2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證    按照以上設(shè)計(jì)方案編寫Verilog HDL程序，

11、下載到FPGA芯片中，通過微機(jī)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通信來驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性與可靠性。下載程序前，事先連接電路，連接好電源、串口線、 Byteblaster下載電纜。程序代碼用開發(fā)軟件Quartus5O下載到FPGA芯片里，具體操作步驟如下：    新建Verilog HDL文件輸入并保存代碼新建工程設(shè)置選項(xiàng)(選擇目標(biāo)芯片，本實(shí)驗(yàn)用的是cyclone公司的EPlC6T144C8N，配置方式，下載方式等)編譯配置引腳編譯選擇下載電纜下載運(yùn)行。    按照以上步驟下載好程序即可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。微機(jī)串口調(diào)試助手的選項(xiàng)如下：波特率：96 000 bs；校驗(yàn)位：NONE；數(shù)據(jù)位：8位；停止位：1位；接收區(qū)設(shè)置：16進(jìn)制顯示；發(fā)送端設(shè)置：16進(jìn)制發(fā)送。    表1所示為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，其中的12的CRC碼為3273，34的CRC碼是76D7。    實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)傳送的正確率很高。3 結(jié)語    簡單介紹了FPGA芯片、Verilog HDL、串口通信協(xié)議以及硬件電路設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了軟件部分各個模塊的設(shè)計(jì)方法，并下載程序到FPGA芯片，通過微機(jī)與系